掃描電子顯微鏡照片中呈綠色的大腸桿菌圖片來源:英國《自然》雜志網(wǎng)站
人工智能“慧眼識珠”,首次獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了一種強(qiáng)大的新型抗生素!
美國麻省理工學(xué)院(MIT)科學(xué)家在最新一期《細(xì)胞》雜志撰文稱,他們新研制出的一種深度學(xué)習(xí)人工智能(AI),鑒定出一種全新抗生素。
實(shí)驗(yàn)室測試表明,這種抗生素能有效殺死多種世界上最麻煩的致病細(xì)菌,包括一些對所有已知抗生素耐藥的菌株。
在英國《自然》雜志網(wǎng)站2月20日的報(bào)道中,研究人員表示,這種名為halicin的抗生素是首個(gè)由人工智能發(fā)現(xiàn)的抗生素。盡管科學(xué)家以前曾使用AI輔助發(fā)現(xiàn)抗生素,但此次是AI首次在沒有任何人類假設(shè)的情況下,從頭發(fā)現(xiàn)全新抗生素。
美國匹茲堡大學(xué)計(jì)算生物學(xué)家雅各布·杜蘭特評論道,這項(xiàng)研究非常出色,研究團(tuán)隊(duì)不僅確定了候選抗生素,還在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了有潛力的分子。此外,該方法還可用于發(fā)現(xiàn)治療癌癥、神經(jīng)衰退性等疾病的藥物。
無需假設(shè)
自發(fā)現(xiàn)青霉素以來,抗生素已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基石,但在全球范圍內(nèi),細(xì)菌對抗生素的耐藥性正急劇上升?!蹲匀弧冯s志的報(bào)道稱,研究人員預(yù)測,如果不盡快研發(fā)新藥,預(yù)計(jì)到2050年,每年將有一千萬人因耐藥菌感染而喪生。
但在過去幾十年,新誕生的抗生素寥寥無幾,且結(jié)構(gòu)上與過去已有抗生素大同小異。此外,當(dāng)前用于篩選新抗生素的方法成本高昂,且耗費(fèi)大量時(shí)間。最新研究負(fù)責(zé)人、MIT合成生物學(xué)家吉姆·柯林斯說:“人們不斷發(fā)現(xiàn)相同的分子,我們需要具有新穎作用機(jī)理的新型化學(xué)物質(zhì)。我們希望開發(fā)一個(gè)平臺,能借助人工智能的力量,開創(chuàng)抗生素藥物發(fā)現(xiàn)新時(shí)代。”
為尋找新型抗生素,研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,這是一種受大腦結(jié)構(gòu)啟發(fā)的AI算法,可逐個(gè)原子學(xué)習(xí)分子的結(jié)構(gòu)特性。
據(jù)MIT網(wǎng)站2月20日報(bào)道,在研究中,柯林斯團(tuán)隊(duì)使用約2500個(gè)分子來訓(xùn)練他們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,以發(fā)現(xiàn)能抑制大腸桿菌生長的分子。這些分子包括約1700種已獲批的藥物(其中300種獲批抗生素)以及800種來自植物、動(dòng)物和微生物的天然物質(zhì)。
最新研究聯(lián)合負(fù)責(zé)人、MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授雷吉娜·巴茲萊表示,該算法不需要任何藥物工作原理方面的假設(shè),也無需對化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行標(biāo)記,就可以預(yù)測分子功能,“因此,該模型可以學(xué)到人類專家未知的新模式”。
該模型訓(xùn)練完畢后,研究人員用它篩選一個(gè)名為“藥物再利用中心”的分子庫,該分子庫包含約6000種科學(xué)家正在研究、用于治療人類疾病的分子。他們讓該模型預(yù)測哪種分子能有效抑制大腸桿菌,并僅向他們展示看起來與常規(guī)抗生素不同的分子。
從得到的結(jié)果中,研究團(tuán)隊(duì)選擇了約100個(gè)分子開展物理測試,其中一種是正研究用于治療糖尿病的分子。結(jié)果表明,它是一種具有很強(qiáng)抗菌活性的抗生素,且化學(xué)結(jié)構(gòu)與任何現(xiàn)有抗生素不同。研究人員為致敬經(jīng)典科幻片《2001太空漫游》,將該分子命名為“halicin”(電影里的人工智能系統(tǒng)名為HAL 9000)。此外,研究人員還借助使用其他機(jī)器學(xué)習(xí)模型發(fā)現(xiàn),該分子可能對人體細(xì)胞具有較低毒性。
實(shí)驗(yàn)室測試表明,除銅綠假單胞菌(一種難以治療的肺病原體)外,halicin對包括艱難梭菌、結(jié)核分枝桿菌和鮑曼不動(dòng)桿菌等在內(nèi)的多種病原體具有活性。
為測試halicin在活體動(dòng)物身上的功效,研究人員用其治療感染鮑曼不動(dòng)桿菌的小鼠。鮑曼不動(dòng)桿菌具有“超級耐藥性”,能耐受已知所有抗生素,世界衛(wèi)生組織已將其定為最需要優(yōu)先處理新抗生素的病原體之一,人類迫切需要新抗生素來對付它。
研究表明,在感染了鮑曼不動(dòng)桿菌的小鼠身上,halicin再次顯現(xiàn)出神奇效果:含有halicin的軟膏在24小時(shí)內(nèi),就徹底清除了感染。
特立獨(dú)行
抗生素通過多種機(jī)制起作用,如阻斷細(xì)胞壁生物合成、DNA修復(fù)或蛋白質(zhì)合成中涉及的酶。但halicin并不按常理出牌:它破壞質(zhì)子在細(xì)胞膜上的流動(dòng)。
MIT的報(bào)道指出,初步研究表明,halicin通過破壞細(xì)菌在細(xì)胞膜上維持電化學(xué)梯度的能力來殺死細(xì)菌。此化學(xué)梯度對于產(chǎn)生ATP(細(xì)胞用來存儲能量的分子)不可或缺,因此,如果梯度破裂,細(xì)胞將凋亡。研究人員說,這種殺傷機(jī)制可能會使細(xì)菌難以產(chǎn)生抗藥性。
柯林斯說:“實(shí)驗(yàn)表明,針對抗生素環(huán)丙沙星,大腸桿菌會在1到3天內(nèi)對其表現(xiàn)出抗藥性,但即使30天后,大腸桿菌仍未對halicin產(chǎn)生任何抗藥性。”
走進(jìn)新時(shí)代
發(fā)現(xiàn)halicin后,研究小組利用該模型,對ZINC15數(shù)據(jù)庫內(nèi)的1億多種分子展開了篩查。ZINC15是一個(gè)在線數(shù)據(jù)庫,包含15億種化合物的信息。
僅三天時(shí)間,該模型就篩查出23種與現(xiàn)有抗生素結(jié)構(gòu)不同且可能對人細(xì)胞無毒的候選分子。細(xì)菌測試表明,其中8種分子擁有抗菌活性,且2種功能強(qiáng)大。研究人員現(xiàn)在計(jì)劃進(jìn)一步測試這些分子,并繼續(xù)篩查ZINC15數(shù)據(jù)庫。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算生物學(xué)家鮑勃·墨菲說:“使用計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)和預(yù)測潛在藥物特性這一領(lǐng)域方興未艾,最新研究是一個(gè)絕佳實(shí)例。”
墨菲指出,以前已有科學(xué)家開發(fā)AI方法來挖掘龐大的基因和代謝物數(shù)據(jù)庫,以識別可能包括新抗生素的分子類型。
但柯林斯團(tuán)隊(duì)表示,他們的方法與眾不同。新模型不是在搜索特定的結(jié)構(gòu)或分子類別,而是在訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋找具有特定活性的分子。
該團(tuán)隊(duì)希望與其他團(tuán)隊(duì)或公司合作,將halicin用于臨床試驗(yàn),也計(jì)劃使用他們的模型設(shè)計(jì)新抗生素并優(yōu)化現(xiàn)有分子,例如,使特定抗生素僅殺死特定細(xì)菌,防止其殺死患者消化道中的有益細(xì)菌。
巴茲萊說:“機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以在計(jì)算機(jī)上探索大型化學(xué)空間,而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室方法要做到這一點(diǎn)會非常昂貴。”最新研究既提高了化合物鑒定的準(zhǔn)確性,又降低了篩選工作的成本。
以色列理工學(xué)院生物學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授羅伊·基肖尼表示:“這項(xiàng)開創(chuàng)性研究標(biāo)志著抗生素發(fā)現(xiàn)乃至更普遍的藥物發(fā)現(xiàn)發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變,深度學(xué)習(xí)技術(shù)或可應(yīng)用于抗生素開發(fā)的所有階段——從發(fā)現(xiàn)抗生素到通過藥物修飾和藥物化學(xué)改善抗生素的功效和毒性。”(記者 劉 霞)
6月5日,陜西省寶雞市千陽縣。每棵果樹旁邊都有滴灌裝置,掃描裝置上的二維碼就可以了解每棵果樹的施肥、澆灌等情況,數(shù)據(jù)匯聚到阿里云的ET更多
2018-06-08 10:34:48人工智能是引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略性技術(shù),正在深刻地改變著人類的生產(chǎn)生活。隨著人工智能技術(shù)與其他產(chǎn)業(yè)加速融合,廣東涌現(xiàn)出更多
2019-02-15 11:19:16想騙取索賠?小心被提供快速法律咨詢的在線機(jī)器人揪出,通過使用語音識別技術(shù)和人工智能技術(shù),在線機(jī)器人已能檢測出哪些屬于欺詐性保險(xiǎn)索賠更多
2019-03-12 09:16:03德國政府視人工智能為德國經(jīng)濟(jì)未來的重要增長點(diǎn),2018年發(fā)布了國家戰(zhàn)略推動(dòng)其發(fā)展。然而,人工智能產(chǎn)業(yè)化仍面臨數(shù)據(jù)使用和企業(yè)觀念方面的挑更多
2019-03-15 09:04:30人工智能會取代人類嗎?這個(gè)問題一度引發(fā)全民熱議。雖然目前人工智能正在快速提智,但是這不代表它真的很聰明。相反,很多時(shí)候它還很傻很天更多
2019-03-18 09:07:31坐落于中國西南重慶的云從科技的技術(shù)展示廳里,一個(gè)個(gè)人機(jī)交互平臺不斷展示著中國近年來人工智能領(lǐng)域的新技術(shù),向參觀者描述人工智能持續(xù)發(fā)更多
2019-03-26 09:05:11記者3月28日從2019產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)投論壇現(xiàn)場獲悉,2019年中國人工智能核心產(chǎn)業(yè)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到960億元,增長40%;人工智能股權(quán)投資規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到652更多
2019-03-29 10:38:46隨著人工智能進(jìn)入消費(fèi)、安防、醫(yī)療等人們?nèi)粘I畹母鱾€(gè)領(lǐng)域,亦莊醫(yī)院眼科近日上線了一臺新設(shè)備眼底相機(jī),用人工智能診斷幫助市民篩查早期更多
2019-04-09 11:07:18歐盟委員會4月8日發(fā)布人工智能倫理準(zhǔn)則,以提升人們對人工智能產(chǎn)業(yè)的信任。歐盟委員會同時(shí)宣布啟動(dòng)人工智能倫理準(zhǔn)則的試行階段,邀請工商企更多
2019-04-11 09:11:41昨天,由浙江大學(xué)校友總會主辦、浙江大學(xué)上海校友會承辦的浙江大學(xué)長三角論壇在上海舉行,數(shù)十位專家學(xué)者探討生命科學(xué)與人類健康主題,判斷更多
2019-04-28 13:32:17